Klausuraufgaben Flashcards
Ist ein alte Fenster dicker als oben?
Trifft nicht zu, weil:
- Glas im mechanischen Sinn immer ein elastischer Festkörper ist
- Viskosität bei RT bei 1016 liegt
- Relaxationszeit sehr hoch bei hoher Viskosität
Geben sie die Viskositäten für den Arbeitsbereich an
- 4,0-6,0: Manueller Arbeitsbereich
- 4,0-7,6: Industrieller Arbeitsbereich
Aufgabenstellung beachten bei Angaben von oberer/unterer Grenze des Arbeitsbereichs
Was ist die Länge eines Glases?
Temperaturbereich, der dem Arbeitsbereich entspricht
Vergleich von Quarzglas und Borat- oder Phosphatglas?
- Polymersationsgrad: Quarzglas: 4 : 1 = 4
Boratglas: 1 : 1 = 1
- Schwache Struktur von B2O3, P2O5
- Bestreben von P2O5 zur Kettenbildung ⇒ Anzahl an Bindungen
- Vernetzung ung Geometrie der Struktur entscheidend
Warum ist ein Fenster durchsichtig?
- Abwesenheit von Phasengrenzen!
- keine VIS färbende Substanz vorhanden
- Glas ist ein Dielektrikum:
→ Keine freien Elektroden und große Bandlücke (h*v << EGap)
- Nur Sauerstoff Valenzelektroden im energetisch höheren UV-Bereich werden angeregt
- Atomgruppen wechselwirken nur im IR-Bereich
- ABER: Refelektionsanteil von 4 % vorhanden
Vergleich Rekuperator und Regenerator
Einfluss von Glasscherben auf die Produktion
- keine CO2 Lösung beim Gemengeschmelzen notwendig → weniger chemischen Energie notwendig
- Scherben erleichtern den Eintrag von Wärmestrahlung in das Gemenge/Schmelze (geringe Schmelzenthalpie) → begünstigt Aufschmelzen
- Energieersparnis von 25-30 % möglich
- Scherben kostengünstig
- Fremdscherben werden nur bei Behälterglas eingesetzt
- Eigenscherben werden bei Fensterglas eingesetzt
- kein Recycling bei Glasfaser und Glaskeramike
- kleine Scherben reagieren mit Soda und lassen Sand ohne Reaktionspartner zurück
- sehr kleine Scherben forcieren Grenzflächenreaktionen
Warum können zwei Glasproben gleicher Länge und chemischer Zusammensetzung unterschiedliche Verarbeitungszeiten aufweisen?
- unterschiedliche Farben
- höhere Abstrahlung bei höheren Temperaturen (~T4)
- Länge entspricht dem Temperaturinterval nicht dem Temperaturbereich
- je höher die Abstrahlung/Temperatur, desto kürzer die Verarbeitungszeit
In einer Weißglaswanne soll Braunglas erschmolzen werden
Was kann passieren und wie lässt es sich vermeiden?
- größerer Energiebedarf → Adsorption findet statt → die Schmelze wird nicht so stark durchstrahlt (Fe2+/Fe3+)
- Einfrieren der Braunglasschmelze am Wannboden möglich → Elektro-Boosting (Elktroden am Boden einschalten)
- Wannentiefe bei Weißglas deutlich größer als bei Braunglas
Dilatometrische Messung:
Wie funktioniert diese?
bearbteiten !!!
- Bestimmung von zwei Viskositätspunkten
- Ländernung ∆L wird beim erhitzen gemessen
- Auftragung ∆L/L0 gegen T liefert Tg, TD und alpha
Wie funktioniert thermisches Vorspannen?
Was bewirkt es?
- Aufheizen über TG unterhalb TLittleton
- rasche Abkühlung mit Luftstrom auf RT
- Es entstehen Zug- und Druckspannungen im Glas
→ Druckspannungen an der Oberfläche
→ Zugspannungen im Kern
- Glas wird temperaturwechselbeständiger, druck- und schlagfester und zerkrümmelt wenn es zerschlagen wird (Sicherheitsglas)
Anforderung an das Badmaterial für den Floatprozess
- höhere Dichte des Materials als Glas
- minimale chemische Reaktivität mit dem Glas
- Keine Benetzung
- Siedetemperatur höher als Temperatur der Glasschmelze
- Schmelztemperatur geringer als Glastemperatur am Ende des Bads
- niedriger Dampfdruck
- einfach Handhabung
- Wirtschaftlich
Funktionsweise des Float-Prozess
- Spreituung einer leichteren auf einer schwereren Flüssigkeit
- Gleichgewichtsdicke wird durch Oberflächenspannung an der Grenzfläche Sn-Atmosphäre-Glas bestimmt
- Top-Roller (Zahnräder) greifen in weiches Glas und fördern es weiter
- Zug am Glasband entsteht hauptsächlich durch Rollen im Kühlofen
- Atmosphäre: N2H2-Atmosphäre zur Oxidationsvermeidung
- Glasdicke wird durch Zug eingestellt
Glasfaserherstellung
Einfluss der Viskosität am Boschring
- log(n) = 4: hohe Spannung beim Ziehen
- log(n) = 3: ideal
- log(n) = 2,3: Konus wird instabil, Faser wird unterbrochen
Glasfaserherstellung:
Wie sollte die Glaslänge für Herstellung sein?
möglichst kleine Länge für die Herstellung
Unterschied Entglasung und kontrollierter Keimbildung
Entglasung entsteht immer beim Abkühlen einer Schmelze
kontrollierte Keimbildung findet immer in einer Wärmebehanlung nach der Erstarrung statt
Keimbildung und Keimwachstum Diagramm
Beschreibung der relevanten Bereichen
- Ostwald-Miers-Bereich: nur Keimwachstum
- TminCry- TmaxKB: Sollte für Glasbildung minimal sein
- Im Überschneidungsbereich findet Kristallisation statt
- je kleiner die Überschneidung vom KW und KB, desto einfacher findet Glasbildung statt
Verbrennungsrechnung:
- Reaktionsgleichung
- verinfachte Luftzusammensetzung
- Abgaszusammensetzung
- Abgasmenge
- CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 ⇔ CO2 + 2 H2O + 7,52 N2
CH2 + 3/2 O2 + 5,64 N2 ⇔ CO2 + H2O + 5,64 N2
- 79% N2, 21% O2
- Produktseite: xi/xges (%)
- Abhängig von Menge des zu verbrennenden Stoffes
Nahordnungsstruktur:
Standardglas 74-10-16
Für: 1. SiO2; 2. Na2O*2SiO2; 3. Na2O*3CaO*6SiO2
- SiO2
- Na2O*2SiO2
- Na2O*3CaO*6*SiO2
Nahordnungsstruktur:
Wollastonit
CaSiO3
CaO*SiO2
Nahordnungstruktur:
Anorthit
CaAl2Si2O8
CaO*Al2O3*2SiO2
Ladungsdefizit Tetraeder bei CaO*Al2O3
Nahordnungsstruktur:
Gehlenit
Ca2Al2SiO7
2CaO*Al2O3*SiO2
Nahordnugsstruktur:
Forsterit
Mg2SiO4=2 MgO*SiO2
Mg2+
O-
O- — Si — O-
Mg2+ |
O-
Nahordnungsstruktur:
Diopsid
CaSiO3 + MgSiO3
CaO*MgO*2SiO2
Nahordnungsstruktur:
Akermanit
Ca2MgSi2O7
2*CaO*MgO*2SiO2
Wie kann die Glasübergangstemperatur bestimmt werden ?
Viskositätsmessung (Dilatometer): Probe wird erhitzt und die Längenänderung wird gemessen
Zeichnen sie ein schematisches Temperatur-Viskositäts-Diagramm mit folgenden Punkten
- Tropfentemperatur
- Arbeitsbereich
- dialatometrischer Erweichungspunkt
Geben sie die Vogel-Fulcher-Tammann-Gleichung an
Zusätzlich alle wesentliche Umformungen
Was für verhalten zeigt die Viskosität für ein Verhalten im Bezug auf die Temperatur
Entsprechende Gleichung und Parameter angeben
Flüssigkeiten zeigen in Bezug auf ihre Viskositäts-Temperatur-Abhängigkeit im Allgemeinen ein Arrhenius-Verhalten
Vogel-Fulcher-Tammann-Gleichung
Erläuterung der Konstanten:
- T0
- A
- B
- Die Konstante T0 beschreibt das Limit bei dem die Viskosität n →∞ anstrebt
- Der Wert der Viskosität nähert sich der Konstante A an, wenn T gegen unendlich läuft “Hochtemperaturlimit der Viskosität”
- B entspricht nicht der Aktivierungsenergie wie in der Arrhenius-Beziehung, da B temperaturabhängig ist. Lediglich bei T gegen unendlich kann es als die Aktivierungsenergie angesehen werden
Geben Sie die Reaktionsgleichung für die Vebrennung von CH4 (g) und CH2 (l) mit Luft
Wie viel m3 Luft werden bei der Verbrennung von 1 m3 CH4 benötigt?
mit Rechenweg
Luftgemenge: 21% O2; 79% N2
2/0,21 O2 = 9,52 m3
Wie viel m3 Luft werden benötigt um 1 m3 CH2 zu verbrennen?
Mit Rechenweg
Luftgemenge: 21% O2; 79% N2
1,5/0,21 O2 = 7,14 m3
Zeichnen Sie den Punkt folgender Zusammensetzung in das CAS Diagramm ein
40 mass.% SiO2
25 mass.% Al2O3
35 mass.% CaO
Welche sind die koexistierenden kristallinen Referenzphasen?
- Gehlenit
- Anorthit
- Pseudowollastonit
Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Glasübergangstemperatur TG?
Und warum ist das so?
- Mit steigender Abkühlgeschwindigkeit steigt die Glasübergangstemperatur
- Durch die höhere Abkühlrate fällt das System schneller aus dem inneren Gleichgewicht, da die fiktive Temperatur abhängig ist von der Abkühlrate
Wie fällt alpha aus für die unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen?
Hohe Glasübergangstemperatur = niedgriges alpha
Niedrige Glasübergangstemperatur = hohes alpha
Erläutern sie das Floating Verfahren
- Glasschmelze wird in einem mit Zinn befüllten Behälter gefüllt
- Dichte Unterschied zwischen Zinn und Glas sorgt dafür, dass das Glas auf dem Zinn treibt. Rollen fördern Glas weiter
- Über die Rollengeschwindigkeit wird die Dicke des Glas eingestellt (im Kühlofen)
- Wärmenergie der Glasschmelze hält Zinn flüssig
- geformtes Glas wird durch Wasser abgekühlt
- Siedepunkt von Zinn oberhalb Glastemperatur
- Schmelzpunkt von Zinn unterhalb der Erstarrungstemperatur von Glas
- hohe Oberflächenspannung und fast inertes Verhalten von Zinn gegenüber Glas sorgen für glatte Oberfläche
- Schutzgasatmosphäre (meist Stickstoff und Wasserstoff) notwendig zur Vermeidung von Oxidation Zinn
Qualitative Kriterien an den Rohstoff
- chemische Zusammensetzung
- Phasenbestand
- Kornhabitus
- Korngrößenverteilung
- Konstanz der Eigenschaften
Verfügbarkeits Kriterien an den Rohstoff für die Glasherstellung
- lokaler Markt vs. Weltmarkt
- natürlicher vs. industrieller Rohstoff
- lokale Produktion vs. Import
- Glasindustrie als Haupt- und Nebenkunde
- Stabilität der Quelle
- Transportdistanz
- Vorratsmenge
Skizzieren Sie die Schmelzkette mit:
- allen Chargenmengen
- allen Temperaturen
- allen Energiebeträgen
Skizzieren Sie den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Abhängigkeit von Temperatur vor und nachdem Glasübergang
Skizzieren Sie die Wärmekapazität in Abhängigkeit von Temperatur vor und nachdem Glasübergang
Wie wird Standardglas auskristallisiert?
Entsprechende Wärmebehandlungsschritte anfügen
(Ist damit Keramisierung von Gläsern gemeint ?!)
- Durch eine kontrollierte Temperaturbehandlung wird das Glas durch einen zusätzlichen Wärmebehandlungsschritt kristallisiert
- Es ist nicht möglich, die gewünschte Kristallphase durch kontrollierte Kühlung zu erhalten
Skizzieren Sie das cp -T-Diagramm für Glas cGL und für einen kristallinen Stoff cX
Al2O3 -Gehalt wird erhöht. Was passiert dadurch?
- Polymerationsgrad steigt
- NBO werden zu BO
- Ladungsdefizit-Tetraeder -> Zeichnen
was sind NBOS?
Bestimmen sie mit dem Phasendiagramm die kristallinen Referenzphasen
74,12 % SiO2
9,35 % Al2O3
16,53 % Na2O
Boratglas (B2O3) hat eine höhere strukturelle Bindungsenergie als SiO2. Trotzdem ist der thermische Ausdehnungskoeffizient höher beim Boratglas
Wieso?
- reines Boratglas besitzt eine schwach Struktur, trotz hoher Bindungsenergie
- Grund: niedriger Polymersationsgrad, da nur 3 Brücken pro 3 B Atome
- niedriger Polymersationsgrad → Tliq u. Tg niedrig, Wärmeausdehnungskoeffizient hoch
Welche Funktion übernimmt SiO2 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkbildner
- Zunahme der Viskostiät
- Erhöhung der Erweichungstemperatur
- Erniedrigung der Wärmedehnung
- Erhöhung der Temperaturwechselbeständigkeit
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
- Abnahme der Dichte
Welche Funktion übernimmt B2O3 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkbildner (bis 15 Gew. %)
- Erniedrigung der Wärmeausdehnung
- Glas wird kürzer
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit (<8%)
- Erhöhung der Ritzhärte
Welche Funktion übernimmt P2O5 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkbildner
- Erhöhung der UV-Transmission
- Verringerung der IR-Transmission
- chemische Resistenz nimmt ab (hygroskopisch)
Welche Funktion übernimmt K2O im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- Glas wird länger (Butter des Glases)
- Erniedrigung der Schleifhärte
- Verbesserung des Entfärbungsverhaltens
Welche Funktion übernimmt Na2O im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- wirkt hauptsächlich als Flussmittel
- Verbesserung des Schmelz- und Läuterverhaltens
- Erhöhung der Wärmedehnung
- Erniedrigung der chemischen Beständigkeit
Welche Funktion übernimmt Li2O im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- Stärkstest Flussmittel
- Erhöhung der Entglasungswahrscheinlichkeit
Welche Funktion übernimmt MgO im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften (Glas wird länger)
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
- bei Ersatz gegen Alkali
Welche Funktion übernimmt CaO im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
- Erhöhung des E-Moduls
- Erhöhung der Ritzhärte
Welche Funktion übernimmt BaO im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Netzwerkwandler
- Erhöhung des Brechungsindex
- Erniedrigung der Entglasungswahrscheinlichkeit
Welche Funktion übernimmt Al2O3 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Zwischenoxid
- Erhöhung der Viskosität und Glaslänge
- Verbesserung der mechanischen Festigkeit
- Erhöhung der Ritzhärte
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
Welche Funktion übernimmt PbO im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Zwischenoxid
- Erniedrigung der Viskosität
- Erhöhung der Dichte
- Erhöhung des Brechungsindex und Dispersion
- Absorption der Röntgenstrahlung
- Erhöhung des elektrischen Widerstandes
Welche Funktion übernimmt ZnO im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Zwischenoxid
- Erhöhung der Ritzhärte
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
Welche Funktion übernimmt ZrO2 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Zwischenoxid
- Verbesserung der chemischen Beständigkeit
- Keimbildner
- Erhöhung der Festigkeit
- Erhöhung der Viskosität
Welche Funktion übernimmt TiO2 im Netzwerk?
Welche besonderen Eigenschaften besitzt es
Zwischenoxid
- Erhöhung des Brechungsindex
- Verbesserung der Säurebeständigkeit
- Keimbildner
Netzwerkbildner…
… formen das Grundgerüst des Glases
Netzwerkwandler…
…bewirken Aufspaltung des Grundgerüsts
Zwischenoxide…
…können sowohl Netzwerkbildner als auch -wandler sein
Skizzieren Sie den Spannungsverlaufs einnes ESG und eines entspannten Floatglas für den belasteten Fall. Die Belastung liegt unterhalb des kritischen Bereichs für das entspannte Glas
- SLC = Kritische Spannung für den Bruch des entspannten Glas
- Sappl = aufgebrachte Spannung
- SESG = innere Spannung durch thermisches Vorspannen
Vergleichen sie von Phosphatglas, Boratglas und Quarzglas:
- Liquidustemperatur
- Glasübergangstemperatur
- thermischer Ausdehnungskoeffizient
Liquidus und Tg bei Quarz vertauscht
Welche Faktoren bestimmen die Gebrauchsfestigkeit ?
- Von der Stärke der atomaren Bindung
- Von den Polymerisationsgrad (Anzahl der Bindungen je Formeleinheit)
- Von der atomaren Packungsdichte (Anzahl Formeleinheit je Raumeinheit)
- Von der Art der Verknüpfungen der Baugruppen
- bei der Gebrauchsfestigkeit ist besonders abhängig von extrinsischen Defekten!
Bestimmen sie Tg
Geg:
- A = -2
- B = 4500
- T0 = 250
Skizzieren Sie den Verlauf der Kristallisationsgeschwindigkeit eines einkomponentigen, glasbildenen Systems als Funktion der Temperatur
Durch welche Einflüsse kommt die Gestalt der Kurve zustande?
Die Kristallsgeschwindigkeit ist abhängig von den Glasbildner, wie SiO2. Durch sie wird die Keimbildungsrate unterdrückt
???? Stimmt das?
Wieso ist für Sie der Glaszustand so schwer ergründlich?
Vieles also, was wir am Glaszustand nicht verstehen, liegt in unserem mangelnden Verständnis des flüssigen Zustandes
Das Bild unten verdeutlich das vorhandene Unverständnis
Erklären Sie den Gewächshauseffekt (oder Auto in der Sonne)
- Die kurzwellige Wärmestrahlung (700-3000 nm) der Sonne wird zu einem Großteil (>50%) durchgelassen durch das Glas.
- Wärmestrahlung durch beheitztem Innenraum strahl langwellig im IR Bereich.
- Strahlung im IR Bereich wird von Glas nahezu vollständig absorbiert und reflektiert (Wärme eingesperrt).
Welche Bedeutung hat der dilatometrische Erweichungspunkt TD (was für eine wesentliche Veränderung im Materialverhalten ist ihm zu zuordnen) ?
- Ab dem dilatometrischen Erweichungspunkt TD verliert die Probe ihre Form und kann im Dilatometer nicht länger vermessen werden.
Welche Gleichung beschreibt den Viskositäts-Temperaturverlauf eines glasbildenden Systems? Welcher Bereich des Verlaufs käme im Prinzip auch eine einfachere Gleichung mit wenigen empirischen Konstanten aus ?
- Allgemein zeigt es eine Arrhenius-Verhalten (zusehen im Pic)
- Kann aber für den visko-elastischen Bereich über VFT Gleichung (wenn du die nicht kennst Klausur Abmelden) beschrieben werden
Begründen Sie aus materialwissenschaftlicher Sicht, warum folgende Vorschrift für die Dilatometrie Messung notwendig ist.
- Die Probe müssen vor der Messung einen Kühlprozess von T > Tg auf RT mit -2 K/min durchlaufen
- Das Experiment selbst ist mit 5 K/min durchzuführen
Die Aufheiz und Abühlgeschwindigkeit hat einen Einfluss auf den Glasübergang und die fiktive Temperatur
Bsp:
- Kühlt man ein Glas schnell ab und heizt es im Anschluss langsam auf, so relaxiert das Glas im Bereich des Glasübergangs in die Struktur mit der niedrigen Temperatur
Skizzieren Sie ein TTT-Diagramm (ZTU-Diagramm), aus dem die Bedingungen für defektfreie Glasbildung (keine Kristallite) und vollständige Kristallisation ablesbar ist.
Skizzieren Sie mit einer chemischen Reaktionsgleichgewicht das Redox-Gleichgewicht des in der Glasschmelze gelösten Fe
Was verstehen Sie unter Solarisation?
Bei der Solarisation ändert sich die Valenz einiger Ionen, durch UV-Licht (Sonnenlicht), sofern ein weiteres polyvalentes Ion als Partner zur Verfügung steht. Es entsteht ein Farbdefekt.
Warum sind Si-Einschlüsse so sehr gefährlich im Behälterglas?
Silizium Einschlüsse gehören zu den Volumendefekten und sorgen für eine starke Abnahme der Festigkeit der Gläser
Antwort unzureichend. Keine weiteren Informationen im Skript …
Chemisches Vorspannen
- wird im Salzbad unterhalb Tg durchgeführt
- Erzeugt ebenfalls Druckspannungszonen an der Oberfläche
- Ionenaustausch zwischen Glasoberfläche und Salzbad
- zB: Na gegen Ka Tauschen
- Ka 30% größer
